冲积与湖积成因土壤重金属的空间分布特征及其来源——以安徽当涂县为例

王慧敏，汪丙国，靳孟贵，焦团理

(1.中国地质大学(武汉)环境学院， 湖北 武汉 430074； 2.安徽省地质调查院，安徽 合肥 230001)

文章编号：1671-1556(2018)05-0055-09

土壤是人类赖以生存的自然环境和农业生产的重要资源。随着人类社会对土壤需求的扩展，人类活动对土壤的开发强度越来越大，向土壤排放的污染物也成倍增加。重金属可以在土壤中积累，在作物体内残留，通过食物链进入人体并在体内蓄积，从而对人体构成潜在危害。据国家环境保护总局统计，我国面临严重的土壤重金属污染，每年约有12 Mt谷物被重金属污染[1]。土壤重金属来源通常可以分为自然来源和人为输入[2-3]。在自然来源中，成土母质和成土过程对土壤重金属含量的影响较大，不同类型的成土母质发育的土壤重金属元素平均含量相差很大[4]。人为来源主要包括污水灌溉、固体废弃物(污泥、垃圾等)处置、农业活动(农药和化肥施用等)以及市政活动等[5]。

土壤重金属污染的环境问题是国内外学者研究的热点之一，研究中常使用数据统计分析对重金属元素的来源进行判断[6-7]。近年来，我国开展的多目标区域地球化学调查结果表明，长江流域安徽段沿岸冲积平原土壤中Cd等多种重金属元素富集的现象十分明显[8-10]，开展长江流域Cd等多种重金属元素异常示踪与追源成为众多学者关注和研究的热点。由于成土母质是土壤形成的物质基础条件和土壤元素的最初来源，因此本文选取安徽省马鞍山市当涂县河流冲积母质的江心洲和湖沼相沉积母质的大陇乡作为研究区，分析了冲积与湖积成因的表层土壤重金属的分布特征，并利用相关性分析和主成分分析方法对土壤重金属的来源进行了解析。

1 研究区概况

当涂县位于安徽省东部、长江下游东岸，东与江苏省接壤，西以长江为界与和县隔江相望。该地区地形属长江下游东岸平原，地势北高南低，海拔高程多低于50 m；东北部为低山丘陵岗地，南部为平坦开阔的平原圩区，水网较发育，见图1。当涂县位于下扬子台坳北部燕山晚期宣-广断陷盆地北东部，第四系芜湖组广泛分布，表层主要岩性为浅棕黄色粉砂、砂质黏土和黏土。县内河流属长江水系，较大的河流有姑溪河、运粮河、青山河，东南部石臼湖部分属当涂县。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of the study area

根据2004年安徽省江淮流域局部(当涂县)土壤质量地球化学评价研究结果，本文选取江心洲、大陇乡作为研究区(见图1)。江心洲位于当涂县西北部长江主航道东侧，因长江泥沙逐渐冲积形成；土壤母质为河流冲积物，土壤类型为潮土，土壤质地以黏质、壤质为主[11]，土壤发育历史相对较短，理化性质受母质影响较大，很大程度上继承了河流冲积物的特性；土地利用以水旱轮作田为主，分布一定规模的菜地，经济作物主要为棉花、玉米、茭白等。大陇乡位于当涂县东南端，属于原丹阳湖区，现今均已干枯退化为农田；土壤母质为湖沼相沉积物，土壤类型为潜育水稻土，土壤质地以黏质、壤质为主；大陇乡是安徽省生态农业示范点之一，盛产粮棉油、鱼虾蟹和芡实、茭白、菱、藕等。

2 土样采集与分析

2. 1 土样采集

本次研究采样时间为2016年4月，取样采用GPS定位，在江心洲和大陇乡共布设了24个表层土壤采样点，采样点位分布见图2。表层土壤采样点布设的基本原则是：平面样点均匀分布、采样位置能代表采样单元土壤的环境特征。本次采集表层土壤样品时，采集0～20 cm耕层土壤，采用三点采样混合法，样品重量约1 kg。土样密封于双层聚乙烯塑料袋中，带回实验室后混合均匀、风干、磨碎、过2 mm筛后供测试分析。

2. 2 土样测试分析

土样测试指标包括元素As、Cd、Co、Cr、Cu、Ge、Hg、Mn、Mo、Ni、Pb、Se、Sr、Tl、Zn、F、N的含量、有机质含量(OM)和pH值，共计19项指标。土样分析测试工作主要由安徽省地质实验研究所承担，依据《多目标区域地球化学调查规范(1∶250000)》(DZ/T 0258—2014)，采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定土样中Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Mo、Ni、Pb、Sr、Tl、Zn的含量；采用原子荧光光谱法(AFS)测定土样中As、Ge、Hg、Se的含量；采用离子选择性电极法(ISE)测定土样中F的含量和pH值；采用凯氏氮蒸馏酸碱滴定法测定土样中N的含量；采用重铬酸钾氧化还原容量法测定土样中OM的含量。土壤样品分析过程中均加入国家地球化学标准土壤参比物质进行质量控制，其误差均控制在国家标准要求的范围内。

图2 研究区土壤采样点位分布示意图Fig.2 Distribution of sampling sites in the study area

2. 3 数据处理

本文采用地统计学软件GS+7.0对土壤重金属含量进行半变异函数建模，并应用ArcGIS软件中克里金插值模块对土壤重金属含量进行空间插值，探讨土壤重金属的空间分布特征。采用SPSS 19.0和Origin 8.6软件对土壤样品测试结果进行统计分析，以确定土壤重金属含量与土壤其他理化性质的关系和土壤重金属的来源。

3 结果与分析

3. 1 土壤中重金属含量及其分布特征

3.1.1 表层土壤中重金属含量特征

研究区表层土壤化学参数和重金属含量的统计特征见表1和图3，并采用研究区表层土壤背景值利用2004年“当涂县农业生态地球化学调查”的表层土壤数据迭代剔除平均值加减2倍标准差离群数据后的算术平均值作为研究区表层土壤的背景值[11-12]和《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995,以下简称《标准》)的二级标准限值作对比分析。

表1 研究区表层土壤化学参数和重金属含量的统计特征

注：表中除pH值为无量纲、OM含量的单位为%外，重金属元素含量的单位均为mg/kg。

图3 江心洲与大陇乡表层土壤化学参数和重金属含量年均值的对比图Fig.3 Comparison chart of chemical properties and heavy metals mean values in the surface soils of Alluvial Islands and Dalong Township 注：图中pH值为无量纲，OM含量的单位为%，其他重金属含量的单位为mg/kg。

由表1和图3可以看出：

(1) 江心洲冲积成因的表层土壤pH值在7.64～8.38之间，平均值为8.16，为弱碱性土壤；表层土壤OM含量在0.58%～2.17%之间，平均值为1.53%；表层土壤中重金属As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的平均含量分别为10.61 mg/kg、0.35 mg/kg、86.73 mg/kg、42.72 mg/kg、0.08 mg/kg、40.36 mg/kg、32.65 mg/kg和104.78mg/kg，与当地表层土壤背景值相比，除As含量稍高外，江心洲表层土壤中重金属含量均低于背景值，并未表现出富集现象；表层土壤中As、Cd、Cu、Hg、Pb、Zn 6种重金属分布表现出较大的空间变异，变异系数介于26%～43%，表明江心洲表层土壤重金属的自然变异性和不同来源，可能存在点源输入；与《标准》中二级标准限值相比，江心洲表层土壤中重金属的平均含量均在二级标准限值内，只有1个采样点(DT14)的Cd含量(0.71 mg/kg)超过了二级标准限值。

(2) 大陇乡湖积成因的表层土壤pH值在5.36～6.81之间，平均值为5.82，为酸性土壤；表层土壤OM含量在2.13%～4.25%之间，平均值为3.32%；表层土壤中重金属As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的平均含量分别为13.26 mg/kg、0.35 mg/kg、97.30 mg/kg、45.57 mg/kg、0.10 mg/kg、44.36 mg/kg、37.26 mg/kg和125.44 mg/kg；与当地表层土壤背景值相比，大陇乡表层土壤中As、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 7种重金属元素的平均含量均高于当地表层土壤背景值，表明这7种重金属元素在表层土壤中存在富集；此外，这7种重金属元素的变异系数均小于20%，表明其来源较一致，且富集呈现出普遍性；与《标准》中二级标准限值相比，大陇乡表层土壤中重金属As、Cr、Hg、Pb、Zn的含量均低于二级标准限值[13-14]，但有73.33%样品的Cd含量、60%样品的Ni含量以及20%样品的Cu含量超出了二级标准限值，最大超标倍数分别为1.39、1.22和1.05倍。

(3) 大陇乡表层土壤重金属含量和OM含量的平均值均高于江心洲表层土壤，主要是因为大陇乡的成土母质为湖沼相沉积物，其静水沉积环境相对比江心洲流动环境产生更大的重金属富集度[15]，大部分重金属元素趋向于在湖沼相沉积物中沉积富集。

3.1.2 表层土壤中重金属元素的空间分布特征

K-S检验结果表明，研究区表层土壤pH值、OM含量和重金属元素含量的数据属于正态分布，满足地统计分析对数据正态分布的要求。本文利用GS+7.0软件在各项同向性条件下对研究区表层土壤pH值、OM含量和重金属元素含量的半方差函数理论模型进行了拟合，其拟合结果见表2。

表2 研究区表层土壤化学参数和重金属元素含量的半方差函数理论模型及其相关参数

由表2可知，除江心洲表层土壤pH值的拟合度(决定系统)较小外，研究区表层土壤OM含量和重金属含量的半方差函数理论模型拟合度均在0.3以上，说明半方差函数理论模型的选取基本满足要求；研究区表层土壤pH值、OM含量和重金属含量的块金系数均小于25%，表明这些指标都具有较强的空间相关性，其主要是由气候、土壤母质、地形、土壤类型等结构性因素引起的。

为了直观地显示重金属元素在空间上的分布特征，本文利用拟合得到的半方差函数模型及其相关参数，对土壤pH值、OM含量和重金属含量进行最优无偏插值，得到研究区表层土壤pH值、OM含量和重金属元素含量的空间分布图，见图4。

由图4可以看出：

(1) 江心洲表层土壤中8种重金属元素含量的空间分布特征基本相似，大致表现为从东北向西南方向逐渐递减的变化趋势，这与OM含量由高到低的分布规律基本一致，反映了表层土壤OM含量对重金属元素的累积有明显的控制作用[16]。据资料显示，江心洲的发育演变表现为左汊裁穿取直，右汊逐渐变窄[17]，江心洲左缘土壤中重金属含量偏低，反映了水动力作用对土壤重金属空间分布格局的控制，即在水动力条件弱的淤长部位堆积大量细颗粒泥沙，重金属显著富集[9,18]。根据其空间分布图可知，江心洲南部土壤中Cd、Cu和Hg含量较高，可能与江心洲东南侧约2.5 km的热电厂有关[19]，燃煤过程排放的Cd、Cu、Hg等重金属通过大气沉降输入到江心洲土壤之中。

图4 研究区表层土壤pH值、OM含量和重金属元素含量的空间分布图Fig.4 Spatial distributions of pH,organic matter and heavy metals in surface soils of the study area

(2) 大陇乡表层土壤中重金属Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的含量分布规律比较相似，土壤中重金属含量高的地方主要集中在大陇乡中部和北部，这与土壤中OM含量分布相似，但与pH值的变化趋势正好相反，反映了土壤中这5种重金属元素的含量在很大程度上取决于成土母质的性质；土壤中As含量表现为从东北向西南方向逐渐递减的变化趋势；土壤中Cd含量表现为从东向西方向逐渐递减的变化趋势，并在整个区域中含量偏高，大部分高于0.3mg/kg，土壤中Hg含量高的区域主要分布在大陇乡南部，反映了As、Cd、Hg的含量在一定程度上受到施肥、燃煤等人类活动的影响。

3. 2 土壤重金属的来源分析

3.2.1 相关性分析

自然环境中的重金属元素多具有伴生性或综合存在性，元素总量之间的相关程度有助于发现重金属元素的一些共生规律和富集联系，可以为区域重金属污染状况分析提供参考。相关性分析已广泛运用于分析水土的化学数据，主要用于分析具有相同或相似来源的各个元素之间的相关性，由此可以确定重金属元素是否具有相同的来源[20-21]。研究区表层土壤中重金属含量与土壤化学参数之间的Pearson相关系数见表3和表4。

表3 江心洲表层土壤中重金属含量与土壤化学参数之间的Pearson相关系数

注：“**”表示在0.01水平(双侧)上显著相关，“*”表示在0.05水平(双侧)上显著相关。下表同。

表4 大陇乡表层土壤中重金属含量与土壤化学参数之间的Pearson相关系数

由表3可知，江心洲表层土壤中重金属元素As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的含量与OM的含量呈显著性正相关(p<0.01)，与pH值相关性较差，这主要是因为pH值在相对较窄的范围(7.64～8.38)内波动；土壤中重金属元素含量之间具有显著相关关系，特别是As、Cd、Cu、Pb、Zn之间的相关系数均大于0.9，表明其具有相同的地球化学特征，或者具有相同的来源[22]。由图4也可知，土壤中各重金属元素含量之间大体呈显著性相关关系，表现出一定的空间一致性。

由表4可知，大陇乡表层土壤中重金属元素Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的含量与OM、Se含量呈显著性正相关，同时这5种重金属元素含量之间均呈现显著性相关关系，相关系数为0.841～0.975，可以推测土壤中这5种重金属元素具有相似的富集途径和相同的来源；土壤中As含量与OM、Se含量以及Cu、Hg、Ni含量呈负相关(p<0.05)，反映了As与Cu、Hg、Ni有着部分相似的来源，也反映了人为来源对As的贡献；土壤中Cd、Hg含量与OM含量之间无显著相关性，说明这两种重金属元素与土壤性质之间缺乏相关性，主要是因为存在这两种重金属的连续输入或污染源[23]：土壤中Cd含量并没有与其他任何重金属元素的含量表现出相关性，仅与F含量呈现显著相关性，说明Cd与其他重金属的污染来源不同；土壤中Hg含量仅与As含量呈负相关，表明土壤中Hg可能受人为因素的影响[24]。

3.2.2 主成分分析

为了进一步探讨研究区表层土壤中重金属元素的来源和控制其分布的主要因素，分别对江心洲和大陇乡表层土壤化学参数和重金属含量等指标进行了主成分分析，Kaisere-Meyere-Olkin和Bartlett的球形度检验表明标准化后的数据适宜做主成分分析。其中，江心洲表层土壤得到特征值大于1的2个主因子，且这2个主因子累计贡献率为94.24%；大陇乡表层土壤得到特征值大于1的3个主因子，且这3个因子累计贡献率为90.72%。为了使各公共因子的典型代表变量更加突出，便于解释其实际意义，本文采用方差最大旋转法对主成分矩阵进行旋转，经旋转得到因子荷载矩阵见表5。

表5 研究区表层土壤化学参数和重金属含量指标的主成分分析结果

分析表5可以看出：

(1) 对于江心洲表层土壤：

第一主因子PC1的方差贡献率为55.56%，因子荷载较高的指标为Mn、As、Cd、Cu、Hg、Pb和Zn的含量(>0.75)，中等因子荷载的指标为OM、Se、Cr和Ni的含量，与相关性分析中土壤重金属来源一致的结果相同。江心洲土壤发育历史较短，很大程度上继承了河流冲积物的特性，由土壤重金属含量空间分布(见图4)可知，土壤中重金属含量在江心洲的右缘较高，主要是因为此处水动力条件弱，大量堆积细颗粒泥沙，As、Cd、Cu、Pb和Zn等重金属明显趋于富集。根据魏晓等[19,25]在2017年有关长江安徽段土壤重金属来源分析得出，PC1反映了土壤粒度的差异对重金属的影响，说明土壤粒径效应对重金属元素富集的影响[26-27]。

第二主因子PC2的方差贡献率为38.68%，因子荷载较高的指标为pH值、OM、F和Se的含量，中等因子荷载的指标为Cr、Ni和Zn的含量。其中，Cr、Ni、Se、Zn与OM的含量是正荷载，反映了带正电荷离子与存在于有机物质中的带负电荷位点结合的趋势[28]，与相关性分析中土壤重金属Cr、Ni、Se、Zn与OM的含量呈显著性正相关的结果一致。土壤中OM含量较高(>1.6%，见图4)，Cr、Ni和Zn等重金属元素趋于富集，可见主因子PC2主要代表成土过程中OM的积累。

江心洲土壤很大程度上继承了河流冲积物的特性，而OM在沉积物中的分布主要受沉积物粒径分布的控制[29]，因此土壤中重金属含量主要受粒度控制。分析认为：在长江上游土壤侵蚀和其他地表物质冲刷搬运过程中，富含重金属元素的细粒级颗粒物优先被侵蚀，从各处汇集至河道中，在下游地区沉积[8-9]，因此沿江冲积平原区土壤重金属元素富集是一种自然过程[30]。一方面，在长江源头，二叠系地层为出露的重要地层，该地层出露的黑色岩系具有较高的重金属含量[8]；另一方面，沿江地区地处扬子地台北缘，矿产资源丰富，主要有Cu、Fe、Au、Ag、Pb、Zn等内生金属矿产，为土壤中重金属提供了丰富的物源[31]。除自然地质来源外，煤矿和有色金属的开采、加工和冶炼等有关的工业活动也加剧了重金属的释放，通过各种途径进入水环境，并被吸附到悬浮颗粒物中不断沉积在表层土壤中，导致重金属进一步富集[32]。

(2) 对于大陇乡表层土壤：

第一主因子PC1的方差贡献率为58.53%，因子荷载较高的指标为OM、Se、Mn、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的含量，中等因子荷载的指标为pH值，与相关性分析的结果相同。根据环境研究中的多元统计方法[33-34]，方差贡献率最高的第一主因子是高背景的岩性因子，母岩及其风化作用是影响土壤物理化学性质的主要因素[35]。据有关文献可知[36]，大陇乡土壤是由20世纪70年代丹阳湖围垦形成，其物质主要来源于江苏省溧水县五王山区以及安徽省郎溪县、广德县皖南山区，物源区内分布有侏罗纪火山岩、二叠纪和三叠纪Se高背景地层。由图4可知，土壤中Cr、Cu、Ni、Pb和Zn含量高的几个采样点都分布在大陇乡中部，其pH值小于5.8，OM含量大于3.0%。因此，主因子PC1主要来自岩石化学风化成土过程的释放。

第二主因子PC2为F和Cd的含量，其方差贡献率为17.37%，与相关性分析中大陇乡表层土壤中Cd含量仅与F含量呈正相关(p<0.05)的结果一致。大陇乡表层土壤中Cd含量大部分超出了表层土壤背景值的范围。重金属在农业土壤中积累主要有三个途径：灌溉、干湿沉积和施肥[37]。Cd一般可作为施用农药和化肥等农业活动的标识元素[38]，磷肥的施用会导致土壤中Cd含量的增加。同时普通磷肥含有一定量的F，大量施用磷肥也会造成土壤中F的积累[39]。研究发现，20世纪60年代，石臼湖(同源于古丹阳湖)流域化肥和农药的使用量急剧上升，导致土壤中重金属的污染[40]。由此可以推断，主因子PC2反映了农药、化肥、饲料等各种农业污染对土壤重金属富集的影响。

第三主因子PC3的方差贡献率为14.82%，因子荷载值较高的指标为Hg含量，中等因子荷载的指标为As含量。根据相关性分析可知，土壤中As含量与Cu、Hg、Ni的含量呈负相关，土壤中Hg含量与除As以外的其他重金属无显著相关性，说明As、Hg可能受地球化学和人为因素的综合影响[22]。第三主因子主要支配着土壤中重金属As和Hg的来源，一些研究指出，农田中As主要来源于农药和化肥等人类活动[41]，煤炭燃烧是Hg污染的主要来源。因此，PC3可能主要来源于施肥、煤炭燃烧等人为活动的污染，同时少部分为自然地质源。

4 结 论

通过调查采样研究了当涂县江心洲冲积成因和大陇乡湖积成因的表层土壤中重金属元素的空间分布特征，并利用相关性分析和主成分分析方法探讨了研究区表层土壤重金属元素的可能来源，得到如下结论：

(1) 当涂县江心洲冲积成因的表层土壤呈碱性(pH值介于7.64～8.38)，OM含量低(1.53%)，重金属元素As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的平均含量分别为10.61 mg/kg、0.35 mg/kg、86.73 mg/kg、42.72 mg/kg、0.08 mg/kg、40.36 mg/kg、32.65 mg/kg和104.78mg/kg，除As以外其他重金属元素含量的平均值均低于当地表层土壤的背景值。大陇乡湖积成因的表层土壤呈酸性(pH值介于5.36～6.81)，OM含量高(3.32%)，As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的平均含量分别为13.26 mg/kg、0.35 mg/kg、97.30 mg/kg、45.57 mg/kg、0.10 mg/kg、44.36 mg/kg、37.26 mg/kg和125.44 mg/kg，重金属元素含量的平均值均高于当地表层土壤的背景值。

(2) 江心洲冲积成因的表层土壤中8种重金属元素含量的空间分布特征基本相似，与OM含量的分布规律基本相同，大致表现为从东北向西南方向逐渐递减的变化趋势，并在水动力条件弱的江心洲右缘含量较高。大陇乡湖积成因的表层土壤中Cr、Cu、Ni、Pb、Zn含量高的地方主要集中在大陇乡中部和北部，与OM含量、pH值的分布特征相似；土壤中As、Hg含量高的区域分别分布在大陇乡北部和南部；土壤中Cd含量在整个区域内偏高，大部分Cd含量高于0.3 mg/kg。

(3) 相关性分析和主成分分析结果表明：江心洲冲积成因的表层土壤中重金属来源的绝大部分信息可由2个主因子反映，土壤中重金属主要来自细粒级颗粒物的表面吸附效应和OM对重金属的富集作用，即中上游富含重金属元素的细粒级颗粒物在下游地区沉积；大陇乡湖积成因的表层土壤中重金属来源的绝大部分信息可由3个主因子反映：①土壤中Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Se和Zn来源于岩石化学风化成土过程的释放，②土壤中Cd来源于农药、化肥、饲料等各种农业污染，③土壤中As、Hg由自然源和施肥、煤炭燃烧等人为活动共同贡献。

致谢:感谢安徽省地质调查院和安徽省地质实验研究所在野外工作、土样分析测试等方面给予的大力支持;感谢匿名审稿专家的意见与建议。